橡膠履帶硫化成型工藝及設(shè)備研究進展

褚凡忠，張有忱，楊衛(wèi)民，安 瑛，譚 晶*

（1.北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100029；2.輪胎設(shè)計與制造工藝國家工程實驗室，北京 100029）

橡膠履帶是一種橡膠與金屬或纖維材料復(fù)合而成的橡膠制品[1]，主要由芯金、強力層、緩沖層和橡膠彈性體四部分組成，與履帶輪共同作用，為履帶式行走機械傳遞驅(qū)動力。與金屬履帶和輪胎相比，橡膠履帶具有接地壓力小、震動小、噪聲低、行駛速度快、壽命長以及多地形通過性能好等優(yōu)點，因此廣泛用于農(nóng)業(yè)機械[2-8]、工程機械[9-10]、運輸機械[11]、雪地車[12]以及特種機械[13-15]等領(lǐng)域。近年來隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，橡膠履帶的應(yīng)用越來越廣泛，對橡膠履帶的性能要求也不斷提高，因此對橡膠履帶的硫化成型工藝及設(shè)備提出了新的要求。

橡膠履帶最早由日本的普利司通公司于1968年開發(fā)成功并投入使用，目前日本已成為橡膠履帶的主要生產(chǎn)國家，并在世界各地建有生產(chǎn)基地，在產(chǎn)品質(zhì)量、市場份額及品牌方面都處于領(lǐng)先地位；韓國、斯里蘭卡等國發(fā)展較快。我國的相關(guān)研究工作起步較晚，由同立橡膠有限公司和杭州中策橡膠集團永固橡膠分公司于1988年首先研發(fā)并實現(xiàn)橡膠履帶生產(chǎn)。橡膠履帶制造由最初采用擠出機生產(chǎn)鋼絲簾布的方式，逐漸發(fā)展為單根纏繞生產(chǎn)鋼絲簾布的無接頭生產(chǎn)方式，后來逐漸出現(xiàn)了二次成型硫化法、一次成型硫化法和成型硫化一體化等成型方法。本文分別對各成型方法及其特點進行闡述。

1 二次成型硫化法

二次成型硫化法亦稱為分段硫化法，即硫化時將預(yù)成型的帶坯分為若干段進行硫化，是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的生產(chǎn)方法，按照鋼絲簾布有無接頭分為搭接式環(huán)形體二段硫化法和環(huán)形成型分段硫化法。

1.1 搭接式環(huán)形體二段硫化法

搭接式環(huán)形體二段硫化法[16-22]工藝的簡要流程如下：煉膠出片→傳動筋板表面處理→鋼絲簾布擠出、裁斷→長模成型硫化（兩端通冷卻水）→脫模→接頭模成型硫化→脫模修邊→檢驗入庫。

利用該工藝生產(chǎn)橡膠履帶時需要長模、接頭模和鄂式硫化機，橡膠履帶帶坯先在長模中用鄂式硫化機加壓硫化，兩端預(yù)留出搭接的鋼絲簾布長度，并在長模兩端通入冷卻水，使端部帶體處于未硫化狀態(tài)；將脫模后的長帶彎曲成型，把兩端未硫化部分放入接頭模中，將鋼絲簾布上下搭接后成型硫化，最終得到環(huán)狀履帶成品。

搭接式環(huán)形體二段硫化法的優(yōu)點為成型方法簡單、生產(chǎn)效率較高、勞動強度低、產(chǎn)品節(jié)數(shù)可變化等。其主要缺點為：1）帶體厚；2）成本高；3）鋼絲簾布的接頭易抽出伸長；4）長模硫化時需在兩端通冷卻水；5）接頭模硫化時造成產(chǎn)品重復(fù)硫化，重復(fù)硫化部分硫化程度不一致，易導(dǎo)致裂口。

1.2 環(huán)形成型分段硫化法

環(huán)形成型分段硫化法[17-22]工藝出現(xiàn)在搭接式環(huán)形體二段硫化法工藝之后，其簡要流程如下：煉膠出片→傳動筋板表面處理→鋼絲簾線纏繞掛膠制成環(huán)形鋼絲簾布→第1模成型硫化（四端通冷卻水）→脫模→第2模成型硫化→脫模修邊→檢驗入庫。

該工藝需要兩副模具和熱板對稱成型硫化，且熱板可以移動取出。第1模成型時，將環(huán)形帶坯放入上下兩副模具中，并在兩端預(yù)留第2模硫化所需的鋼絲簾布長度，與搭接式環(huán)形體二段硫化法成型類似，硫化時每個模具兩端需要通冷卻水；第2模成型時，需將環(huán)形帶坯沿環(huán)形軸向旋轉(zhuǎn)一定角度，把未硫化鋼絲簾布對稱放入模具中成型硫化，最終得到環(huán)形履帶成品。

環(huán)形成型分段硫化法的主要優(yōu)點為：1）鋼絲簾布無接頭、帶體不易伸長；2）產(chǎn)品節(jié)數(shù)可變化；3）與鋼絲簾布搭接法相比可減小帶體厚度；4）降低成本。其主要缺點為：1）第1模硫化時四端所通的冷卻水難以控制；2）第2模成型重復(fù)硫化部分較多，導(dǎo)致硫化程度不一致，易產(chǎn)生裂口；3）生產(chǎn)效率低且勞動強度大。

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，研究人員對環(huán)形成型分段法進行了改進。T.Muramastu[23]使用兩套不同的模具，用第1套模具和鋼板在上下模中分別壓出帶芯金的花紋塊，第2套模具需在兩端使用輔助花紋塊壓出，然后逐段硫化得到成品橡膠履帶。該方法步驟繁瑣，成型效率低。藤田靖章[24]使用上、中、下模同時進行硫化，除了在橡膠履帶接頭處的模具兩端通入冷卻水外，在中模中通入熱流體進行加熱，較T.Muramastu所用方法成型效率有所提高。陳榮[25]、朱志勇[26]、謝安良等[27]提出了無接頭鋼絲簾布的制作方法，把芯金、鋼絲簾布、橡膠條依次放入模具中預(yù)成型和分段硫化，使芯金定位準(zhǔn)確、橡膠履帶節(jié)距均勻。謝安良等[28]設(shè)計了輔助小車裝置，實現(xiàn)了膠料和芯金準(zhǔn)確放置的機械化及自動化。R.Mai[29]將膠條、鋼絲簾線、芯金依次纏繞到成型鼓上，形成預(yù)成型貼合件后，放入模具中硫化成型，這種方法與前面所述工藝的不同點是先在硫化模具外把各部分預(yù)成型為帶坯，然后放入模具內(nèi)分段硫化成型，使芯金較易放置，且定位更準(zhǔn)確，并可縮短硫化時間。黃忠浩等[30]在鄂式硫化機上加了前后導(dǎo)柱，使中層熱板豎向運動自由，縱向進退平穩(wěn)、方便，但使硫化機體積增大、占地面積擴大。朱樹生[31]設(shè)計了一種帶有雙面操作臺的履帶硫化機，功能上相當(dāng)于兩臺傳統(tǒng)鄂式硫化機，同時可減小機器占地面積，縮小操作臺之間的距離，提高工作效率。許嵐等[32]設(shè)計了一種二段式無接頭橡膠履帶專用硫化機組，包括結(jié)構(gòu)相同的一段和二段鄂式硫化主機、轉(zhuǎn)序機器人、控制裝置等。該機組的硫化主機與鄂式硫化機結(jié)構(gòu)相似，但其中熱板固定，上下模具合模后由鎖模機構(gòu)鎖緊，機架不受合模機構(gòu)的影響，且中熱板的長度可以調(diào)節(jié)，從而可以硫化不同規(guī)格的橡膠履帶。

2 一次成型硫化法

一次成型硫化法又稱為無接頭硫化法，與二次硫化成型相比，一次成型硫化的主要特點是帶坯在模具中同時進行硫化成型，避免了硫化接頭處帶體硫化不均勻的現(xiàn)象，從而提高了橡膠履帶的壽命。

L.T.Fike[33-34]最早在美國申請了一次硫化成型法的專利，利用機械手將橡膠驅(qū)動齒和環(huán)形橡膠帶坯依次放入圓形內(nèi)模后，硫化內(nèi)模和外模各模塊沿徑向運動，分別形成一個圓周，將橡膠驅(qū)動齒和環(huán)形橡膠帶坯完全包圍在內(nèi)，然后帶錐形腔的外模套在模具外增加合模壓力。硫化模具采用分模塊的形式，易于加工制造，且寬窄模塊異步運動，能夠形成完整的圓周，使模具結(jié)構(gòu)緊湊，但整個成型過程較復(fù)雜，輔助設(shè)備較多。

蔣建國等[22，35]研究發(fā)明的橡膠履帶壓注成型整體硫化法工藝的簡要流程如下：收縮活絡(luò)內(nèi)模、放置芯金和內(nèi)層膠→張緊活絡(luò)內(nèi)?！b入下?！惭b外模并向壓注室裝外層膠→裝入柱塞模并壓注外層膠→硫化→脫去下模、柱塞模和外?！湛s活絡(luò)內(nèi)模、取出產(chǎn)品。

該工藝采用壓注結(jié)構(gòu)模具，模具主要由柱塞模、哈弗外模、活絡(luò)內(nèi)模和下模四部分組成。其主要特點是硫化內(nèi)模為活絡(luò)模，外模為整體模具，與柱塞模和下模一起構(gòu)成密閉型腔。柱塞模將外層膠從內(nèi)模和外模之間的壓注室經(jīng)壓注孔壓注到模腔內(nèi)。壓注成型整體硫化工藝已使用在雪地車和農(nóng)業(yè)機械橡膠履帶的生產(chǎn)上，產(chǎn)品壽命比二次硫化成型法產(chǎn)品提高50%以上。

橡膠履帶壓注成型整體硫化法的優(yōu)點為：1）帶體膠料物性均勻一致，克服了傳統(tǒng)工藝重復(fù)硫化所產(chǎn)生的硫化程度不一致、接頭污染或接頭冷卻水失控等易導(dǎo)致的膠料裂口或斷裂等質(zhì)量缺陷，從而延長使用壽命；2）鋼絲簾布無接頭，帶體不易伸長；3）只需一次成型硫化，比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)效率高。其缺點為：1）采用圓形模具，模具節(jié)數(shù)固定，一副模具只能生產(chǎn)一種規(guī)格的橡膠履帶；2）同種規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)所需平板硫化機熱板面積比傳統(tǒng)工藝大，模具和設(shè)備投入較大。此外，蔣建國等[36]設(shè)計的一次成型硫化裝置由上下內(nèi)模、上下外模、收縮張緊滑塊、定位鉸鏈等組成，通過可伸縮的收縮張緊滑塊結(jié)構(gòu)將上下內(nèi)模連為一體。在收縮張緊滑塊處于收縮狀態(tài)時進行帶坯安裝或履帶脫模，而張緊時進行硫化成型，從而一次完成硫化成型。

陳志強[37]設(shè)計的圓型模硫化裝置與蔣建國等[36]的設(shè)計相比，不同之處在于模具外側(cè)的油缸通過托模架驅(qū)動內(nèi)模各模塊，使油缸尺寸不受內(nèi)?？臻g限制。朱樹生[38-39]設(shè)計的一次性硫化模具由內(nèi)外模具、錐形柱塞等構(gòu)成，內(nèi)模由若干圓弧子模組成，能沿徑向前后移動，便于橡膠履帶的裝模和脫模；內(nèi)外模具合模后，錐形柱塞沿中心軸向下運動，向外擠壓內(nèi)模，補充合模后內(nèi)模施加給帶坯的壓力使擠壓更充分，合模更緊湊。該模具也只能成型一種規(guī)格的橡膠履帶。彭威等[40]設(shè)計的一次硫化成型模具，主要由內(nèi)模板、外模板、冷卻板、驅(qū)動油缸、鎖模機構(gòu)、支架等組成，內(nèi)外模具均由多塊異步模塊組成，各模塊通過相應(yīng)的驅(qū)動油缸實現(xiàn)異步運動，有利于橡膠履帶的裝模和脫模，能夠?qū)崿F(xiàn)無接頭一次硫化成型，解決了搭接頭處強度低的問題，有利于改進橡膠履帶的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，但對各模塊運動精度要求較高，并且只能成型一種規(guī)格的橡膠履帶。

楊衛(wèi)民等[41]設(shè)計的一種無接頭橡膠履帶一次性硫化成型設(shè)備如圖1所示，主要由機架、圓周段驅(qū)動部件、中部驅(qū)動部件、分段外模系統(tǒng)和鏈狀內(nèi)模組成，旨在解決現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備分段硫化效率低及每臺設(shè)備只能生產(chǎn)一種規(guī)格產(chǎn)品的問題。其簡要生產(chǎn)工藝流程如下：鏈狀內(nèi)模收縮→在鏈狀內(nèi)模上安裝預(yù)成型件→鏈狀內(nèi)模張開→外模板沿徑向內(nèi)移至硫化工位→內(nèi)外模同時加壓加熱進行硫化→外模板沿徑向外移→鏈狀內(nèi)模收縮→取出產(chǎn)品。

圖1 無接頭橡膠履帶一次性硫化成型設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意

該工藝采用無接頭橡膠履帶一次硫化成型模具，優(yōu)點為：1）可以一次成型，生產(chǎn)效率高；2）鋼絲加強層在硫化時受力均勻，提高橡膠履帶壽命；3）硫化時各部分溫度比較均勻，履帶強度高；4）采用矩形和圓形相結(jié)合的模具，模具節(jié)數(shù)可調(diào)，一副模具可以生產(chǎn)多種節(jié)數(shù)的橡膠履帶，設(shè)備利用率高；5）采用電磁感應(yīng)加熱方法進行硫化，生熱快、能源利用率高；6）避免和消除了產(chǎn)品重復(fù)硫化部位和膠料接頭可能出現(xiàn)的缺陷。其缺點為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、設(shè)計難度大、強度要求高。

3 成型硫化一體化硫化法

成型硫化一體化硫化是指橡膠履帶帶坯在硫化模具外進行預(yù)成型，預(yù)成型的內(nèi)模同時作為硫化內(nèi)模進行硫化，從而將預(yù)成型和硫化緊密結(jié)合起來。

L.T.Fike[42]公布了一種拖拉機橡膠履帶成型系統(tǒng)，其主要特點為：1）成型內(nèi)模由上下兩半成型內(nèi)模嚙合而成；2）導(dǎo)向齒橡膠塊、未硫化橡膠條、簾布層和鋼絲簾線在內(nèi)模上依次放置形成預(yù)成型帶坯；3）成型后的橡膠帶坯連同成型內(nèi)模一起在硫化外模中硫化。

A.J.Yovichin等[43-44]公布了一種橡膠履帶成型方法，與驅(qū)動齒在中間的橡膠履帶不同，其導(dǎo)向齒在橡膠履帶的內(nèi)表面兩端錯落分布，該方法的成型步驟與L.T.Fike[42]所述成型硫化一體化成型步驟相同，不同點在于其成型內(nèi)模是由若干輻條互相嚙合而成的環(huán)狀模具，比兩半內(nèi)模加工難度大，但更易脫模。

成型硫化一體化硫化法將預(yù)成型模具作為硫化內(nèi)模使用，不僅精簡了設(shè)備，減少了工藝步驟，保證了橡膠履帶尺寸精確，而且提高了生產(chǎn)效率，但內(nèi)模加工難度大，強度要求較高。

4 存在的問題和發(fā)展趨勢

芯金具有動力傳遞導(dǎo)向與橫向支撐的作用，因此在橡膠履帶生產(chǎn)過程中要求芯金定位準(zhǔn)確，以保證動力傳遞的均勻性和連續(xù)性。目前最常用的二次成型硫化法中芯金多數(shù)用人工定位，易導(dǎo)致接頭附近的芯金距離不一，而且接頭處的橡膠硫化質(zhì)量不均勻。然而，由于二次成型法對設(shè)備要求較低，投入少，因此受到青睞。一次成型硫化法芯金定位準(zhǔn)確，橡膠履帶各部分硫化均勻，但硫化成型設(shè)備熱板面積大，即設(shè)備體積較大，占地面積擴大，且對設(shè)備強度要求較高，輔助設(shè)備較多，投入大，因此一次成型硫化法未普及開來。成型硫化一體化硫化法相對于一次成型硫化法，能保證橡膠履帶各部分在預(yù)成型和硫化過程中相對位置不變，芯金定位更準(zhǔn)確，減少硫化成型步驟，但對硫化成型內(nèi)模要求更高，設(shè)備更復(fù)雜。隨著履帶機械的發(fā)展，對橡膠履帶的要求向長壽命、高強度、多品種、綠色節(jié)能等方向發(fā)展，而硫化成型是橡膠履帶生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對橡膠履帶的使用壽命影響很大，因此，硫化工藝和設(shè)備的改進至關(guān)重要。

目前橡膠履帶的設(shè)計還是沿用比較傳統(tǒng)的手繪設(shè)計方法，硫化工藝條件也是在已有的基礎(chǔ)上反復(fù)試驗確定，效率低，成本高。

近年來，計算機技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種仿真分析軟件的開發(fā)和完善，為橡膠履帶新品種的開發(fā)和硫化工藝條件的確定開辟了新道路，但是目前借助仿真分析軟件的研究工作開展得較少，未來計算機輔助設(shè)計和制造橡膠履帶將成為發(fā)展方向。

5 結(jié)語

目前我國已逐步發(fā)展成為橡膠履帶的生產(chǎn)大國，但在產(chǎn)品品質(zhì)及知名度方面不如日本等主要生產(chǎn)橡膠履帶的國家，而且我國農(nóng)業(yè)機械和工程機械使用橡膠履帶較少，因此，我國生產(chǎn)的橡膠履帶多出口日本、歐洲、北美等使用橡膠履帶較普遍的國家和地區(qū)，但多屬于低端產(chǎn)品，且價格低廉，產(chǎn)品競爭力較低，附加值小。其根本原因是我國只擁有少數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和硫化相關(guān)專利。這些專利總體代表了橡膠履帶的發(fā)展方向，但在現(xiàn)有技術(shù)和生產(chǎn)成本等客觀因素的限制下，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的專利較少。

我國需在擴大國內(nèi)橡膠履帶使用市場的同時，注重?fù)碛凶灾髦R產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的設(shè)計和借助計算機技術(shù)進行制造新工藝的開發(fā)，在國內(nèi)外現(xiàn)有的橡膠履帶生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，制定新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成一套符合自身可持續(xù)發(fā)展的規(guī)范，不斷提高自身競爭力。